新型金剛石擴(kuò)孔器的研究

孫 鑫，王 迪，周東富， 馮曉明

1.吉林省地質(zhì)勘探技術(shù)研究所，吉林 長春 130103；2.吉林省地勘局物業(yè)管理中心，吉林 長春 130061

0 引言

鉆探施工中，金剛石鉆頭配合擴(kuò)孔器使用已經(jīng)是整個(gè)鉆探工藝中最普遍的鉆進(jìn)方法。由于這種方法鉆進(jìn)效率高，鉆孔質(zhì)量好，施工勞動(dòng)強(qiáng)度較低，鉆探成本也較低，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是隨著鉆探要求的發(fā)展，由淺入深現(xiàn)在是鉆探施工的常規(guī)現(xiàn)象，普遍的都在500～800 m或者更深1 000～2 000 m，尤其在2 000 m以上的超深孔鉆進(jìn)中對鉆頭和擴(kuò)孔器的性能，都有很高的要求。鉆孔直徑隨孔深增加由于鉆頭外徑磨損逐漸減小，擴(kuò)孔器磨損也相當(dāng)嚴(yán)重。因?yàn)閿U(kuò)孔器上的保徑材料聚晶只是一種耐磨材料，沒有主動(dòng)克取巖石的能力，只能被動(dòng)磨損，鉆頭壽命越長縮徑現(xiàn)象越明顯，而且一般情況下只有鉆頭完全消耗沒才提鉆，新鉆頭下孔必須掃孔，會造成鉆頭的非正常磨損，也容易發(fā)生卡鉆等事故。這是由于金剛石鉆頭外徑逐漸磨損而擴(kuò)孔器卻只能被動(dòng)消耗，且擴(kuò)孔器靠近金剛石鉆頭的胎體部分會先被消耗，被動(dòng)消耗的結(jié)果就是擴(kuò)孔器的胎體部分會被消耗成為一個(gè)錐形體。當(dāng)這種椎體達(dá)到一定角度時(shí)，會產(chǎn)生一種平衡狀態(tài)，即整個(gè)胎體的工作量基本相同。根據(jù)這種現(xiàn)象，本研究將擴(kuò)孔器的上端與鉆頭連接的部分的胎體，直接設(shè)計(jì)成帶有角度的錐形體。在錐形體的表面上均布天然金剛石和大顆粒人造金剛石，這樣就可以利用天然金剛石和大顆粒人造金剛石修磨擴(kuò)孔器大于鉆頭0.3～0.5 mm那部分孔徑巖石。因?yàn)樘烊唤饎偸痛箢w粒人造金剛石克取巖石效果肯定優(yōu)于聚晶，這樣既可以修磨鉆孔直徑，又可以延長擴(kuò)孔器的使用壽命。既減少鉆孔縮徑的風(fēng)險(xiǎn)又可以減輕對鉆具的磨損。

1 擴(kuò)孔器在鉆探施工中的作用

擴(kuò)孔器在鉆探施工中的作用是：

(1)修正孔壁，讓鉆孔直徑符合設(shè)計(jì)要求。

(2)保護(hù)鉆具，防止縮徑磨損鉆具以及避免新鉆頭剛下孔需要掃空的情況。

(3)保持孔內(nèi)鉆具在高速條件下的工作穩(wěn)定性。

國內(nèi)現(xiàn)階段使用的常規(guī)擴(kuò)孔器，大部分采用聚晶保徑。因?yàn)榫劬П旧硎怯媒饎偸⒎酆腿诤蟿┰诟邷亍⒏邏簵l件下燒結(jié)而成的金剛石聚合物，雖然具有較高的耐磨性和熱穩(wěn)定性，但是由于金剛石微粉的粒度很小，克取巖石的能力有限，只能被動(dòng)消耗，不能主動(dòng)地克取巖石。常規(guī)擴(kuò)孔器的直徑比金剛石鉆頭直徑大0.3～0.5 mm[1]，在鉆進(jìn)過程中，這0.3～0.5 mm需要擴(kuò)孔器上的聚晶修磨。隨著金剛石鉆頭外徑磨損，孔徑也同步的逐漸減小，這時(shí)擴(kuò)孔器修磨孔壁的負(fù)擔(dān)越來越重。這種現(xiàn)象，在硬巖中尤為明顯，導(dǎo)致擴(kuò)孔器的胎體部分前端會先消耗，長時(shí)間消耗過后，擴(kuò)孔器的胎體部分會成為一個(gè)帶有一定角度的錐形體，最后鉆孔直徑逐漸減小。在更換新鉆頭時(shí)，必須掃孔，一旦掃孔，勢必會影響新下孔的鉆頭的外徑和壽命，這就影響鉆進(jìn)的效率和容易發(fā)生孔內(nèi)事故。

2 新型擴(kuò)孔器的試驗(yàn)階段

2.1 擴(kuò)孔器胎體材料

擴(kuò)孔器胎體采用80～200目的鑄造碳化鎢和250目以細(xì)的碳化鎢作為骨架材料，用300目錳粉、300目鎳粉和2.2 μm超細(xì)鐵粉作為調(diào)節(jié)胎體性能和強(qiáng)度、韌性的材料，用牌號BZN15-20的鋅白銅作為黏結(jié)金屬。

2.2 胎體材料的制備

2.2.1 配料

用天平稱量胎體配方中各粉末材料的配比重量。稱量一種粉末后放入有標(biāo)記的容器內(nèi)，稱重完畢后認(rèn)真檢查核對各種粉末材料是否有遺漏和稱重是否準(zhǔn)確，然后認(rèn)真填寫配料登記卡。

2.2.2 混料

將稱量完畢的粉末材料放入球磨混料機(jī)料筒內(nèi)混料。球磨混料筒用不銹鋼制作，混料介質(zhì)為硬質(zhì)合金球，球和料的體積不超過混料筒容積的1/2。球料比為2∶1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為40～50 r/min，混料時(shí)間一般為24 h。球磨混料的作用是使胎體各組分在合金球臨界轉(zhuǎn)速作用下研磨、撞擊，使各組分均勻分布，又可以細(xì)化粉末顆粒，提高粉末的成型性能[2]。

2.2.3 存放

經(jīng)過球磨混合后的胎體粉末要裝入容器內(nèi)密封，貼上胎體配方編號和制備時(shí)間，放到 DZF-6090真空干燥箱內(nèi)備用。

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)(見表1)，獲得4號胎體配方符合設(shè)計(jì)要求，使擴(kuò)孔器的胎體硬度達(dá)到HRC45～50度，具有較高的硬度和耐磨性，同時(shí)對天然金剛石有更好的包鑲能力和浸潤效果。

表1 擴(kuò)孔器胎體配方試驗(yàn)

2.3 金剛石及聚晶的選擇

2.3.1 天然金剛石的選擇

我國地質(zhì)系統(tǒng)對天然金剛石的分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 天然金剛石的分級標(biāo)準(zhǔn)表

天然金剛石粒度通常用粒/克拉(st/car)表示，天然金剛石粒度分級見表3。

表3 天然金剛石粒度分級表

金剛石被加熱到某溫度所發(fā)生的狀態(tài)及其力學(xué)性能變化取決于金剛石的品質(zhì)及加熱時(shí)間和周圍介質(zhì)[3]。表4是金剛石在不同介質(zhì)條件下受熱時(shí)所發(fā)生的狀態(tài)。

表4 金剛石在不同介質(zhì)條件下受熱時(shí)所發(fā)生的變化

從表4中可以看出去，金剛石在1 500 ℃時(shí)開始石墨化，到2 100 ℃時(shí)一顆0.1 ct的八面體金剛石不到3 min全部轉(zhuǎn)化為石墨。因此，對金剛石的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測定是具有實(shí)際意義的[4]。

本研究天然大顆粒金剛石采用晶型完整且棱角分明，保證每粒單晶至少有1～2個(gè)良好的棱角，金剛石尺寸一般在1.5～2 mm之間的粗粒度金剛石，將這種天然金剛石均布在擴(kuò)孔器上端斜面上，并讓單晶的出刃棱角向外(圖1)。

圖1 天然金剛石Fig.1 Natural diamond

2.3.2 人造金剛石的選擇

人造金剛石選擇河南黃河旋風(fēng)的HSD90大顆粒金剛石，粒徑在0.25～0.4 mm之間的優(yōu)質(zhì)單晶，均布在下端聚晶周圍。

2.3.3 人造聚晶的選擇

人造聚晶采用鄭州三和的2×2×4型方聚晶，在每一個(gè)胎塊中放置15粒，采用3行×5粒均布放置。

2.4 擴(kuò)孔器燒結(jié)方式

采用電阻爐無壓浸漬燒結(jié)方式，保溫溫度1 155 ℃[5]，采用無壓浸漬法，石墨模具，因石墨模具在燒結(jié)過程中產(chǎn)生二氧化碳保護(hù)氣體，可以防止粉料和金剛石氧化。保溫30 min，燒結(jié)完畢后從電阻爐中取出，放置在室內(nèi)。讓其自動(dòng)冷卻至室溫，然后按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行機(jī)械加工。

加工的普通繩索75擴(kuò)孔器的基本參數(shù)見表5，成品擴(kuò)孔器見圖2。

圖2 成品擴(kuò)孔器Fig.2 Finished reamer

表5 繩索75擴(kuò)孔器的基本參數(shù)

新型擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與普通擴(kuò)孔器相比，增加了胎體上端的斜面，斜面角度α見表6，采用傾斜2°的效果最好。在原有放置聚晶的位置，改用天然金剛石。下端沒有斜度的位置采用大顆粒金剛石和聚晶混鑲。這種改變的優(yōu)勢在于斜面表鑲的部分天然金剛石可以輔助鉆頭克取巖石，在沒有斜面的胎體部分，增加大顆粒金剛石再次修磨孔壁，比單聚晶修磨的效果更佳明顯。帶有2°斜面的擴(kuò)孔器胎體示意圖見圖3。

表6 斜面的角度試驗(yàn)

圖3 帶有2°斜面的擴(kuò)孔器胎體Fig.3 Reamer matrix with 2°inclined plane

3 試驗(yàn)與應(yīng)用

將帶有2°斜面的天然金剛石擴(kuò)孔器，在肇東黑綏地1號井油頁巖項(xiàng)目點(diǎn)的勘察施工過程中使用，創(chuàng)造了我局單只鉆頭進(jìn)尺740 m記錄。四川四零三地質(zhì)隊(duì)2019年在川藏鐵路折多山項(xiàng)目點(diǎn)、雅安項(xiàng)目點(diǎn)和會理縣拉拉大型銅礦項(xiàng)目中進(jìn)行試用，鉆孔深度均在千米左右，與傳統(tǒng)擴(kuò)孔器相比，鉆進(jìn)效率提高15%～20%。新使用的鉆頭也不用掃孔，可以直接下到孔底?；痉显O(shè)計(jì)之初的想法。

4 結(jié)論

將擴(kuò)孔器的胎體部分做成在具有一定角度的導(dǎo)正工作面上均勻分布天然金剛石和大顆粒人造金剛石來克取巖石、修磨孔壁，使擴(kuò)孔器在鉆探施工過程中不僅起到擴(kuò)孔的作用，而且還起到輔助鉆進(jìn)的效果，提高了生產(chǎn)效率，降低鉆探成本，加快勘查速度，減少了能源消耗，社會效益顯著。